Samenstellingseis XF4 voldoet niet74 22012Samenstellingseis XF4voldoet nietDe laatste drie winters kwamen de schaatsliefhebbersgoed aan hun trekken. Automobilisten moesten vaakechter kruipend en glijdend hun weg zoeken, en voortreinreizigers was het een dagelijkse roulette van `rijdt hijwel of rijdt hij niet'. Ook beton, toch het materiaal bijuitstek dat staat voor sterkte en duurzaamheid, heeft telijden van het winterse weer. Gelukkig is er onder meermilieuklasse XF4 waamee beton beschermd moet zijntegen de winterse invloeden. Maar voldoet de samenstel-lingseis XF4 uit NEN 8005 in de praktijk wel?1Beschermen de voorschriften ons voldoendetegen vorst in combinatie met dooizouten?Samenstellingseis XF4 voldoet niet 75220121, 2 Schade aan beton doorvorst en dooizoutenNa de vorige winters hebben verschillende wegbeheerders enaannemers geconstateerd dat er veel schade was ontstaan aanhet oppervlak van betonverhardingen, schampkanten en gale-rijplaten in de vorm van scaling. Een schadebeeld dat de visuelebeleving van het materiaal beton nadelig be?nvloedt.Het beeldmateriaal op deze bladzijden is afkomstig vanconstructies die vari?ren in ouderdom van een half jaar totenkele jaren. Deze schadebeelden wijken niet af van de ervarin-gen na eerdere perioden met langdurige vorst en sneeuwval.Memorabel zijn de winters van '78 - '79 en '96 - '97 en, welis-waar in mindere mate, de afgelopen drie winters. Zo ??n keerin de tien jaar worden we dus geconfronteerd met een meerdan gemiddelde vorstperiode.Oorzaak schade aan betonoppervlakAls water bevriest en overgaat naar de vaste toestand, zet het9% uit. Er is niets aan de hand als deze uitzetting vrij kanplaatsvinden. Maar als er geen of onvoldoende ruimte is om uitte zetten, ontstaan er spanningen in het ijs en het omringendemateriaal. Bekende voorbeelden zijn de kapot gevroren water-leidingen en aardewerken bloempotten.Beton bestaat uit toeslagmateriaal en cementsteen. Het toeslagma-teriaal is in de gangbare betonsamenstellingen meestal dicht enbevat geen water. Soms kunnen organische verontreinigingen ofstukjes poreuze steen leiden tot pop-outs. Cementsteen daarente-gen is geen dicht, maar een meer poreus materiaal. De pori?n inde cementsteen kunnen verzadigd of deels gevuld zijn met water,afhankelijk van de vochtigheid van de omgeving waarin de beton-constructie zich bevindt. Wanneer beton volledig verzadigd is,heeft het water geen ruimte om uit te zetten bij de ijsvorming. Ditleidt tot spanningen in het ijs, maar vooral ook in de omringendecementsteen. De cementsteen zal de krachten niet kunnenopnemen en bezwijken, met als gevolg schade aan het beton.Het hierboven beschreven proces ziet er redelijk eenvoudig uit,maar in werkelijkheid zijn er heel wat materiaaleigenschappenen omgevingsfactoren die uiteindelijk bepalend zijn of en inwelke mate er sprake is van schade:de poriegrootte en porieverdeling in de cementsteen;? de mate van verzadiging van het poriesysteem (omslagpunttussen 85 ? 90%);? het gemak waarmee het bevriezend water naar een lege poriekan stromen;? de samenstelling van het poriewater (in het water opgelostestoffen) en het ontstaan van osmotische druk in het poriesys-teem;? het wel of niet ontstaan van ijslenzen.Om gedurende de winterse periode betonoppervlakken gang-baar te houden, wordt in de regel gebruikgemaakt van dooizou-ten om ijsvorming tegen te gaan; als `middel tegen de kwaalgladheid' een begrijpelijke keus. Vorst in combinatie met dooi-zouten heeft echter een versterkende uitwerking op hetontstaan van schade aan beton.Dooizouten worden ingezet om het vriespunt van water teverlagen, en hoe hoger de zoutconcentratie des te lager komthet vriespunt te liggen. Doordat dooizouten het beton altijdvan buitenaf penetreren, is de concentratie van deze zouten aande buitenzijde van het beton altijd hoger. Dieper in het betonkan soms wel ijs worden gevormd, omdat de zoutconcentratiedaar lager is, terwijl het water dichter onder het betonopper-vlak niet zal bevriezen vanwege een hogere zoutconcentratie.Bij daling van de temperatuur gedurende de nacht of vroegeochtend kan de zoutconcentratie aan het oppervlak onvol-doende zijn om bevriezing tegen te gaan. Hierdoor kan hetvoorkomen dat er een laag water tussen de bevroren lagen zit.Bij een nog verdere temperatuurdaling komt er een momentwaarop ook de tussenlaag bevriest. Omdat het water is ingeslo-2Dr.-Ing. Werner RemarqueCEMEXHessel No?Holciming. Peter de VriesHeidelberg Cement BeneluxDipl.-Ing. Gisbert LauriniDyckerhoff AGSamenstellingseis XF4 voldoet niet76 220120020406080100966858359170973728982724140,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4hydratatiegraad 100%water-cementfactorvolume[%]cementgelgelwatercap poriencap poriencapillair waterniet-gehydrateerdcement00204060801000,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4hydratatiegraad 50%water-cementfactorvolume[%]cementgelcapillair watergelwaterniet-gehydrateerd cement3 Bij een water-cementfactor > 0,40 en een hydratatiegraad van50% neemt het aandeel capillaire pori?n aanzienlijk toe4 Nog een voorbeeld van schade aan beton door vorst en dooi-zoutenkrimpen. Er ontstaan hierdoor trekspanningen in de ijslaag,gevolgd door scheurvorming in het ijs. Aangezien de ijslaagen het beton samen ??n geheel vormen, zetten deze scheurenzich door in het beton. In het beton buigt de scheur af naareen naastliggende scheur, waardoor een klein brokje betonuit het oppervlak springt. Op constructieniveau heeft ditplaats op verschillende locaties, waardoor er scaling optreedt.Of alle hier genoemde processen nu wel of niet gelijktijdigoptreden of dat het ene proces dominant is ten opzichte van hetandere, feit is dat na een vorstperiode waarin rijkelijk met dooi-zouten is gewerkt, de kans op een schade in de vorm vanscaling aan het oppervlak van een betonconstructie groot is.Vorstschade en betonvoorschriftenSchade ten gevolge van de inwerking van vorst in combinatiemet dooizouten kan worden voorkomen door het toepassenvan een beton met een hoge weerstand tegen vorst en vorst incombinatie met dooizouten. De (Europese) betonvoorschriftenEN 206-1 hebben hiervoor een aparte milieuklasse ge?ntrodu-ceerd: milieuklasse XF.Om de verzadigingsgraad van het beton al dan niet in combi-natie met vorst en dooizouten in rekening te kunnen brengen,is de milieuklasse XF verdeeld in vier categorie?n:? XF1: Niet volledig verzadigd met water, zonder dooizouten;? XF2: Niet volledig verzadigd met water, met dooizouten;? XF3: Verzadigd met water, zonder dooizouten;? XF4: Verzadigd met water, met dooizouten of zeewater.In NEN 8005, de nationale invulling van NEN-EN 206-1,worden vervolgens eisen gesteld aan de samenstelling waaraanhet beton in de bovengenoemde milieuklassen moet voldoen.Daarbij bestaat nog een keuzemogelijkheid het beton met ofzonder luchtbelvormer te vervaardigen. Het betonvoorschriften/of de samenstellingseis is erop gericht het gehalte aanbevriesbaar water te beperken in combinatie met een dichtbeton (de eis van de lage water-cementfactor), of gebruik temaken van het inbrengen van extra lucht ter verhoging van dehoeveelheid expansieruimte (tabel 1).Met deze keuzemogelijkheid suggereren de betonvoorschrifteneen gelijkwaardigheid in prestatie tussen een betonsamenstellingmet of zonder lucht. Of dat in werkelijkheid ook zo is, valt nog tebezien.Typische voorbeelden van betonconstructies of betonnen bouw-delen in XF4 zijn betonverhardingen, galerijplaten, balkonplatenen parkeerdekken in de open lucht.Maar het is te kort door de bocht te stellen dat alleen de samen-stelling van het betonmengsel de bestandheid tegen vorst inten tussen twee bevroren lagen, is er geen expansieruimtebeschikbaar. Hierdoor kunnen spanningen ontstaan diekunnen leiden tot het afdrukken van de bovenste laag.Maar ook bij de inwerking van dooizouten geldt dat er verschil-lende fysische en chemische fenomenen dwars door elkaarheen lopen en elkaar in meer of mindere mate versterken:? Door het strooien van dooizouten smelt het ijs in de toplaag vanhet beton. Hiervoor is warmte nodig, die aan het onderliggendebeton wordt onttrokken. Het dieper gelegen beton ondergaat alshet ware een temperatuurschok. Als gevolg hiervan ontstaantrekspanningen in het beton, die samen met de spanningen tengevolge van de ijsvorming kunnen leiden tot schade.? Dooizouten zijn hygroscopisch en trekken water aan.? Concentratieverschillen van zout in het poriewater leiden tottransport van water en het ontstaan van osmotische druk.? De Glue-Spall Theory, een tot voor kort onbekend fenomeendat is onderzocht door TU Delft. Stel je een betonoppervlakvoor met daarop een laagje water met daarin dooizouten.Wanneer het water bevriest, vormt de ijslaag ??n geheel methet onderliggende betonoppervlak. Omdat het bovenopper-vlak vrij is kan de uitzetting van water naar ijs ongehinderdplaatshebben. Daalt de omgevingstemperatuur nu verder, danwil de ijslaag onder invloed van deze lagere temperatuur3b3aSamenstellingseis XF4 voldoet niet 7722012De ontwikkeling van eigenschappen wordt vastgelegd door hetdefini?ren van nabehandelingsklassen op basis van tijdsduur of opbasis van een percentage van de karakteristieke druksterkte na 28dagen. De nabehandelingsklasse die moet worden aangehoudenmoet zijn aangegeven in de projectspecificaties (tabel 2).Het moment waarop de nabehandeling mag worden gestopt isdus afhankelijk van de sterkteontwikkeling van het beton. Dezekan worden afgeleid met behulp van de methode van degewogen rijpheid. Wordt de sterkteontwikkeling (gewogen rijp-heid) niet aan het beton zelf gemeten, dan kan ook gebruikworden gemaakt van de tabellen uit de uitvoeringsnormNEN-EN 13670, waarin de minimum nabehandelingsperiode(in dagen) wordt gegeven afhankelijk van de potenti?le sterkte-ontwikkeling van het beton.combinatie met dooizouten moet waarborgen. Ook de uitvoeringvan het betonwerk is van doorslaggevende invloed en vooral denabehandeling van het betonoppervlak is essentieel.Onder een goede nabehandeling wordt verstaan dat het jongebeton tegen vroegtijdige uitdroging moet worden beschermd. Hetwater hoort nu eenmaal in het beton te reageren met cement. Hoemeer cement reageert, des te hoger de hydratatiegraad, des temeer vrij water wordt gebonden en dus des te dichter de pori?nkunnen groeien. De figuren 3a en 3b laten zien dat bij een water-cementfactor > 0,40 en een hydratatiegraad van 50% het aandeelcapillaire pori?n aanzienlijk toeneemt.De nabehandelingsduur is afhankelijk van de ontwikkeling vande eigenschappen van het beton specifiek in de dekkingszone.Tabel 1 Samenstellingseisen volgens NEN 8005milieuklasse max. wcf min. cementgehalte[kg/m3]grootste korrel D[mm]luchtgehalte[% v/v]XF1 0,55 300 - -XF2 0,55 300 6331,51683,03,54,05,0XF2 0,45 300 - -XF3 0,50 300 - -XF4 0,50 300 6331,51683,03,54,05,0XF4 0,45 320 - -Tabel 2 Nabehandelingsklassen volgens NEN-EN 13670nabehandelingsklasse1 2 3 4nabehandelingsduur in uren 12*) n.v.t. n.v.t. n.v.t.percentage van de voorgeschrevenkarakteristieke druksterkten.v.t. 35% 50% 70%*) ervan uitgaande dat begin binding binnen 5 uur optreedt en dattemperatuur betonoppervlak 5 ?C4Samenstellingseis XF4 voldoet niet78 22012pori?n met water. Dit kan in het najaar en de winter aanleidinggeven tot schade, zeker als de vorst onverwacht invalt. Beter ishet gebruik te maken van een curing compound, de constructiemet folie af te dekken of bij verticale delen de bekistingvoldoende lang te laten staan.Invloed cementsoortNEN 8005 maakt geen onderscheid in de toe te passen cement-soort afhankelijk van de te realiseren milieuklasse. Een uitzonde-ring geldt voor een hoge sulfaatbelasting in het milieu. Toch is dekeuze van de cementsoort wel degelijk van invloed op de uitein-delijke kwaliteit van de buitenhuid van de betonconstructie.Het verschil in eigenschappen tussen een puur portlandcementen een hoogovencement met een hoog slakgehalte (CEM III/Bmet > 65% slak) heeft vooral gevolgen voor de bestandheidtegen vorst in combinatie met dooizouten. De volgende eigen-schappen spelen daarbij een rol:? Invloed van de carbonatatieBeton met portlandcement wordt dichter door carbonatatie,doordat het veel vrije kalk bevat dat wordt omgezet tot calci-umcarbonaat (calciet). De hierbij optredende volumevergro-ting wint het van de toename van de porositeit door deomzetting van CSH. In beton met hoogovencement, dat veelminder vrije kalk bevat, leidt carbonatatie echter tot eengrotere porositeit. Door de hogere porositeit is de kans opwaterverzadiging veel groter, wat de kans op stukvriezen vande buitenhuid doet toenemen. Een uitermate goede nabehan-deling kan de weerstand van het beton tegen de indringingvan CO2uit de lucht aanmerkelijk verhogen, waardoor ookbij beton met hoogovencement het carbonatatieproces sterkwordt vertraagd.? De pori?nstructuur van de cementsteenBij gelijke hydratatiegraad heeft beton met hoogovencementeen fijnere pori?nstructuur dan beton met portlandcement.Voor de duurzaamheid in het algemeen is dit een gunstigeeigenschap, maar bij een vorstaanval geldt het als een nadeel.De pori?n drogen langzamer uit, waardoor de mate vanwaterverzadiging vaak groter is dan bij beton met portland-cement.Waarom dan toch schade?Maar als de samenstelling van het beton voldoet aan de eisendie gelden voor milieuklasse XF4, waarom is er dan toch regel-matig sprake van schade? Je zou mogen verwachten dat debetonvoorschriften juist zodanig zijn opgezet om schade tevoorkomen!Er zijn verschillende oorzaken aan te wijzen waarom beton datogenschijnlijk aan de gestelde eisen voldoet, in de praktijk tochniet goed blijkt te functioneren:De buitenhuid is geen kernbetonOp basis van het mengselontwerp (maximale water-cementfac-tor en minimum cementgehalte) verwachten we een bepaaldeprestatie van het verharde beton. De kwaliteit (lees: kubusdruk-sterkte) wordt beoordeeld aan de hand van genormaliseerdeproefstukken na 28 dagen verharding. Maar dit zegt nog nietsover de oppervlaktekwaliteit van de in het werk gestorte beton-constructie. In de kern zal worden voldaan aan de eis van deminimum water-cementfactor, maar door het wandeffect en/ofbleeding is de water-cementfactor bijna per definitie hoger dande voorschriften aangeven. En juist het oppervlak is dat deelvan de constructie waar vorst en dooizouten hun schadelijkeinwerking hebben.Een robuust en stabiel betonmengsel is dus essentieel voor eenduurzaam betonoppervlak.Nabehandeling is vaak onvoldoendeEen goede nabehandeling voorkomt uitdrogen van het beton-oppervlak. Hierdoor gaat het hydratatieproces langer door enworden grote pori?n omgezet in kleinere. Bovendien neemt hetaandeel vrij (dus bevriesbaar) water af. Een slechte nabehande-ling leidt altijd tot een poreuzer oppervlak. Toch moeten weconstateren dat het in de praktische uitvoering nogal eensschort aan een goede nabehandeling. Bekistingen worden opde bouwplaats veelal binnen 24 uur verwijderd, maar ookgeprefabriceerde elementen verlaten vaak vroegtijdig defabriekshal.Bij de nabehandeling met water is wel een opmerking op zijnplaats. Nabehandeling met water leidt tot verzadiging van de5Samenstellingseis XF4 voldoet niet 792201273,503,002,001,501,000,500,002,5014 28 42 56afgevrorenmateriaal[kg/m2]mengsel III BO-87-LBV02 + portlandmengsel II BO-87-LBV02mengsel I BO-87-BLmengsel I: 350 kg HOC, wcf 0,45mengsel II: 350 kg HOC, wcf 0,45 + 3,5% luchtmengsel III: 270 kg HOC / 80 kg PC, wcf 0,45 + 3,5% lucht5, 7 Nog enkele voorbeelden van schade aan beton door vorst en dooizoutenfoto's: Ed Freriks, Jos Kronemeijer, Jurri?n Talsma, Peter de Vries, Helmut Eckhardt6 De invloed van de toepassing van een luchtbelvormer bij een gelijkblijvendewater-cementfactor? het inbrengen van lucht brengt extra kosten met zich,omdat controle moet plaatsvinden op de hoeveelheid inge-brachte lucht, dus extra proeven doen;? een lagere water-cementfactor is vaak toch al benodigdvanuit sterkteoverwegingen, zeker bij prefab elementen;? het inbrengen van extra lucht gaat gepaard met sterktever-lies, compensatie van dit sterkteverlies leidt meestal tothogere kosten.Voor een betonproducent is het verreweg het eenvoudigstzijn beton bestemd voor milieuklase XF4 te ontwerpen opbasis van een water-cementfactor < 0,45 en een minimumcementgehalte van 320 kg/m3. En met de betonvoorschriftenin de hand is er niets mis met deze keuze. Maar is datterecht?Onderzoek naar gelijke prestatieMet de keuzemogelijkheid in XF4 voor een mengsel met ofzonder lucht suggereert NEN 8005 een gelijkwaardige prestatie.Maar is dat wel zo? Deze vraag kan worden beantwoord aan dehand van onderzoek. Aan het fenomeen bestandheid tegenvorst en dooizouten wordt in binnen- en buitenland vrij veelgemeten.Het voorbeeld uit figuur 6 illustreert de invloed van de toepas-sing van een luchtbelvormer bij een gelijkblijvende water-cementfactor. In de praktijk is het verschil echter nog groter,omdat NEN 8005 bij toepassing van een luchtbelvormer eenhogere water-cementfactor toestaat.? De pori?nstructuur en luchtbelvormerWanneer een luchtbelvormer wordt toegepast, is het belangrijkte realiseren dat het effect ervan afhankelijk is van de gebruiktecementsoort. Bij het gebruik van luchtbelvormers en het vereisteluchtgehalte zijn de waarden hoofdzakelijk gebaseerd op erva-ring met beton op basis van portlandcement. Ook voor betonmet lage slakgehaltes blijken deze waarden nog wel op te gaan.Maar bij hogere slakgehaltes ontstaat een fijnere pori?nstructuuren deze fijnere pori?n vereisen een kleinere afstandsfactor endus in totaal een hoger luchtgehalte.Keuze voor geen extra luchtIn de Nederlandse bouwpraktijk zien we dat betontechnologenhoofdzakelijk kiezen voor een betonsamenstelling gebaseerd op delagere water-cementfactor en dus niet gebruikmaken van deinbreng van extra lucht. Hiervoor zijn drie redenen aan te voeren:67Samenstellingseis XF4 voldoet niet80 2201201234560,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8water-cementfactorscaling[kg/m2]met luchtzonder luchtscaling[kg/m2]scaling[kg/m2]0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8water-cementfactor0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8water-cementfactorscaling[kg/m2]0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8water-cementfactorCEM I, scaling na 28 vorst-dooicycli (slabtest gestart na 31 dagen)00,511,522,533,5495% CEM I + 5% silica0123456met luchtzonder luchtmet luchtzonder luchtCEM II/A-SCEM II/A-LL0123456met luchtzonder lucht00,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8water-cementfactorscaling[kg/m2]scaling[kg/m2]0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8water-cementfactor0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8water-cementfactorscaling[kg/m2]0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8water-cementfactor00,511,522,533,5495% CEM I + 5% silica0123456met luchtzonder luchtmet luchtzonder luchtCEM II/A-SCEM II/A-LL0123456met luchtzonder lucht00,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8water-cementfactorscaling[kg/m2]scaling[kg/m2]0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8water-cementfactor0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8water-cementfactorscaling[kg/m2]0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8water-cementfactor00,511,522,533,5495% CEM I + 5% silica0123456met luchtzonder luchtmet luchtzonder luchtCEM II/A-SCEM II/A-LL0123456met luchtzonder lucht8 Scaling van beton met verschillende cementen bij verschil-lende niveaus van de water-cementfactor, zowel met als zon-der luchtbelvormerConclusieGezien de ervaringen in de landen om ons heen en de ervarin-gen opgedaan in de diverse laboratoria, lijkt het gerechtvaar-digd de samenstellingseisen voor milieuklasse XF4 in NEN8005 enigszins aan te passen. De keuzemogelijkheid in XF4 zoumoeten verdwijnen en alleen een samenstelling met lucht zoude voorkeur moeten krijgen.Hiermee komt het voorschrift meer in lijn met de voorschriftendie de ons omringende landen hanteren om ongewilde schadete voorkomen en het imago van beton als duurzaam materiaalniet te ondergraven. Tijdens een symposium in 2008 in Denemarken heeft het CBISwedish Cement and Concrete Research Institute gerappor-teerd over de ervaringen van de bestandheid van beton tegenvorst in combinatie met dooizouten onder de verschillendeexpositieomstandigheden. Onderdeel van het totale projectvormde een uitgebreid laboratoriumonderzoek, waarbij debestandheid tegen afschilferen is onderzocht van de diversecementen/bindmiddelen en bij verschillende niveaus van dewater-cementfactor. Alle samenstellingen zijn onderzocht,zowel met als zonder luchtbelvormer. De gemeten luchtgehalteslagen rond de 4 ? 5%. Enkele resultaten staan in figuur 8.Als we in de gevonden resultaten de eisen vanuit NEN 8005voor XF4 projecteren, gemarkeerd door de gele cirkels, moetenwe concluderen dat van enige gelijkwaardigheid geen sprake is.De resultaten laten zien dat het zonder lucht vrijwel onmogelijkis een vergelijkbare bestandheid tegen vorst en dooizouten tenopzichte van een samenstelling met een luchtbelvormer terealiseren. Voor een gelijkwaardige prestatie zou de water-cementfactor zodanig naar beneden moeten worden bijgesteld,dat we ons moeten afvragen of we daarmee geen andere nega-tieve effecten introduceren: hogere cement-/vulstofgehaltes,hogere warmteontwikkeling, vergrote kans op scheurvormingdoor thermische krimp. LIteRatuuR1 Betoniek 5/9 ? Schade door vorst en dooizouten.2 Betoniek 11/11 ? Vorst en dooi.3 Betoniek 14/5 ? De stukken eraf.4 The Nordic Concrete Federation (2008) ? Input to revision of EN206-1/Frost resistance of concrete ? Experience from three fieldexposure sites.5 Einfluss unterschiedlichter Karbonatphasen auf den Frost-Tausalzwiderstand ? Labor und Praxisverhalten. - Eberhard Lang,Duisburg-Rheinhausen.8a 8c8b 8d